王  東1，2,，陳  嵐1,，2，馮  燕1,，2

       1.中國科學院微電子研究所,，北京100029；2.三維及納米集成電路設計自動化技術北京市重點實驗室,，北京 100029

       摘  要：基于軍用IP核標準體系現(xiàn)狀,，結(jié)合現(xiàn)有標準對于軍用IP核的適用性,，針對軍事應用的需求和特點，研究分析了軍用IP核的交付項要求,、質(zhì)量評測,、測試方法學、可靠性試驗和檢驗等關鍵共性技術,，為制定和完善軍用IP核標準體系提供參考建議和技術指導,。

　　關鍵詞： 軍用IP核；標準體系,；共性技術

　　中圖分類號： TN401文獻標識碼： ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.006

　　中文引用格式： 王東,，陳嵐，馮燕. 軍用IP核標準體系關鍵共性技術分析[J].電子技術應用,，2016,，42(9)：24-28.

　　英文引用格式： Wang Dong，Chen Lan,，F(xiàn)eng Yan. Analysis of key common technologies in military IP core standards system[J].Application of Electronic Technique,，2016，42(9)：24-28.

0 引言

　　片上系統(tǒng)（System on Chip,，SoC）芯片在性能,、功耗以及成本等方面具有優(yōu)勢，成為當今集成電路設計技術及產(chǎn)品創(chuàng)新的主流,，可以有效滿足軍事裝備電子系統(tǒng)多功能,、小型化的發(fā)展需求[1]。知識產(chǎn)權（Intellectual Property,，IP）核及其復用技術是SoC設計的基礎,，使用IP核能夠降低SoC產(chǎn)品的設計風險，縮短開發(fā)周期,。

　　標準作為引領和支撐先進技術應用的重要手段,，是技術發(fā)展水平的集中體現(xiàn)，對技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的影響和作用,。在軍用產(chǎn)品研發(fā)過程中,，可以將高技術指標、成熟工藝及過程控制等先進技術固化成標準,，使標準充分體現(xiàn)軍事需求,，并指導后續(xù)產(chǎn)品的研制生產(chǎn)[2]。針對軍事應用的需求和特點,，充分利用現(xiàn)有的民用科技成果和成熟技術，結(jié)合國內(nèi)外行業(yè)標準對于軍用IP核的適用性,，總結(jié)和分析軍用IP核的關鍵共性技術,，構(gòu)建統(tǒng)一完備,、科學合理的軍用IP核標準體系，可以為IP核的開發(fā)提供技術規(guī)范和標準指導,，保障IP核的質(zhì)量與可靠性,，形成軍用IP核準入機制，促進軍用IP核的自主可控和推廣應用,。

1 IP核標準體系現(xiàn)狀

　　目前IP核產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速,，IP核的來源較為豐富，許多企業(yè),、機構(gòu)在大力開發(fā)相關的技術和產(chǎn)品,。例如，企業(yè)自主研發(fā)積累IP核,，這些IP核往往是由內(nèi)部開發(fā)的IC芯片改進而成,，具備了IP核的基本特征；設計服務公司專門提供不同形式,、功能,、層次的IP核；EDA工具公司利用技術和工具優(yōu)勢開展IP核業(yè)務,；Foundry廠商也在推廣IP核,，這些IP核通常與生產(chǎn)工藝緊密相關。此外,，還有專業(yè)的IP核交易平臺構(gòu)建了IP核庫,，為IP核檢索、轉(zhuǎn)讓提供渠道和途徑,。不同來源的IP核在文檔結(jié)構(gòu),、數(shù)據(jù)格式以及信息描述的詳細程度等方面存在著差異，影響著IP核的轉(zhuǎn)讓交易與集成應用,，因此IP核的標準化顯得尤為重要,。

　　在IP核的標準化進程中，虛擬插座接口聯(lián)盟(Virtual Socket Interface Alliance,，VSIA)起到了很大的推動作用,。VSIA成立于1996年，是最早開展IP核標準制定的國際組織,，其成果形式分為規(guī)范(Specifications),、標準(Standards)、技術文檔(Technical Documents),。VSIA在2008年停止運作,，把一些尚在運行的工作移交給其他產(chǎn)業(yè)組織。VSIA標準為IP核的開發(fā),、集成和復用提供了技術方案,，對于IP核的復用設計和交付使用具有指導意義,。

　　除了VSIA，國際上還有其他一些組織,，如SPIRIT,、OCP-IP等，也在IP核標準領域做了大量有益的工作,。2006年,，中國集成電路IP核標準工作組(IP Core Group，IPCG)在參考VSIA相關標準的基礎上,，編制了11項電子行業(yè)標準化指導性技術文件,，內(nèi)容與VSIA基本一致。

　　雖然IP核標準化取得了一定進展,，但是標準被認可接受的程度有待提升,，推廣應用還存在諸多問題。例如,，VSIA標準對設計方法學的描述較多,，制定的標準“過于抽象化，缺乏具體性”,，沒有一個可以供IP核設計者參考的設計流程[3],。一些具有技術優(yōu)勢和行業(yè)影響力的企業(yè)采用的IP核開發(fā)流程以及配套的交付模式，幾乎形成了一種事實標準,，行業(yè)組織推出的標準很難在這些企業(yè)內(nèi)部推廣,。

　　目前，IP核在軍事領域的應用越來越多,，但是相關的軍用標準非常匱乏,，在一定程度上影響了IP核技術在軍用方面的應用和推廣。行業(yè)組織推出的標準主要面向民用領域,，雖然對于軍用IP核的開發(fā)和使用具有一定的參考價值,，但是由于軍用IP核的特殊應用場景，對可靠性,、安全性,、環(huán)境適應性等方面的要求非常高，所以對這些標準只能合理借鑒而不能簡單照搬[4],。

　　軍用IP核標準對于研發(fā)自主可控的IP核具有重要意義,，構(gòu)建軍用IP核標準體系勢在必行。根據(jù)軍用IP核開發(fā)的實際需求和交易機制的特點,，建議將軍用IP核標準體系分為兩大類,，一類是以關鍵技術為核心的基礎標準，一類是以具體IP核產(chǎn)品為核心的產(chǎn)品規(guī)范[5]，如圖1所示,。

　　目前,，已經(jīng)發(fā)布實施的《軍用集成電路IP核通用要求》（標準號GJB 7715-2012）是基礎標準,，規(guī)定了軍用集成電路IP核的設計,、驗證、實現(xiàn),、檢驗,、交付等要求，適用于軍用集成電路IP核的開發(fā),、轉(zhuǎn)讓和集成過程,。

2 關鍵共性技術分析

　　2.1 交付項要求

　　IP核的交付項承載了IP核不同層次的描述信息和特征化的屬性規(guī)定，在表現(xiàn)形式上可分為文檔交付項,、數(shù)據(jù)交付項,。確定IP核的交付項要求時，應以應用為導向,，為IP核用戶提供使用IP核的必要信息,。

　　2.1.1 強制類型

　　根據(jù)IP核交付項的重要程度，其強制類型可分為強制,、條件強制,、推薦、條件推薦等4類,。由于IP核種類繁雜,、功能多樣、規(guī)模各異,，制定IP核交付項要求時,，應保持交付項內(nèi)容統(tǒng)一連貫，避免交叉重復,，遵循“最小子集”原則,，即：對于IP核應具備的充分而必要信息，如果缺失就會影響IP核的正常應用,，則要求強制交付,；而對于IP核的某些信息，若缺失,，不會影響IP核的正常應用,，但是若具備，有利于對IP核的了解和使用,，則建議推薦交付,。

　　強制交付項是IP核集成應用的基本要求，也是IP核交付項的核心所在。強制交付項是一個相對固定的集合,，比較容易界定,，而推薦交付項的范圍難以收斂，即使對于同一類IP核,，由于可能的應用方向和領域不同,，IP核用戶期望的推薦交付項內(nèi)容必定會有所差異，所以很難列出所有的推薦交付項,。是否提供推薦交付項,，可以認為是IP核開發(fā)者的一種自發(fā)行為，能夠提供多少推薦交付項,，則是IP核開發(fā)者研發(fā)能力的一種體現(xiàn),。推薦交付項是IP核質(zhì)量評測的加分項，該項內(nèi)容越豐富,，越有助于IP核的集成應用,，能有效提升IP核的用戶體驗效果。

　　2.1.2 文檔交付項

　　由于不同種類IP核之間的差異很大,，文檔交付項應具備的內(nèi)容千差萬別,。在IP核標準制定過程中，應重點對文檔的強制類型和必要的基本內(nèi)容進行約束,。對于文檔的編制方式,、撰寫風格以及內(nèi)容的豐富程度，很難精確量化和細化,，因此不做具體要求,。文檔交付項雖然不直接用于IP核的集成應用流程中，但是對于深入理解和順利應用IP核具有重要的指導意義,。結(jié)構(gòu)合理,、層次明晰、詳細規(guī)范的文檔交付項是成熟IP核的必要條件,，文檔交付項的完備程度直接影響到IP核的應用效果,。目前國內(nèi)的技術人員往往“重設計、輕文檔”,，反復的設計迭代和修改往往容易忽略文檔工作的完善,。為降低技術風險、統(tǒng)一設計狀態(tài),、避免無效的資源和時間開銷,、降低人為因素在項目開發(fā)過程中的差異性影響、保障研發(fā)各環(huán)節(jié)的可追溯性,，在研發(fā)的各個階段必須提供各種文檔輸出,，并進行統(tǒng)一的管理和歸檔[6]。

　　IP核文檔交付項一般包括功能手冊、驗證手冊,、應用手冊,、交付項清單以及目錄結(jié)構(gòu)文件等，必要時還需要提供測試手冊,。需要說明的是,，設計手冊涉及IP核開發(fā)的內(nèi)部細節(jié)，考慮到知識產(chǎn)權保護以及IP核交易的實際需求,，對IP核設計手冊不做交付要求,，由交易雙方另行約定。

　　以硬IP核為例,，GJB 7715給出的文檔交付項列表如表1所示。

　　2.1.3 數(shù)據(jù)交付項

　　數(shù)據(jù)交付項是IP核特征化的重要載體,，其中的應用信息與EDA工具有很大的關聯(lián)性,，數(shù)據(jù)格式很多是由主流EDA工具廠商定義的，在IP核在開發(fā)以及集成過程中,，需要借助不同的EDA工具完成各種數(shù)據(jù)格式的生成與使用,。

　　對于不同類型的IP核，由于實現(xiàn)方式和應用環(huán)境的不同,，數(shù)據(jù)交付項的內(nèi)容不盡相同,，可以根據(jù)IP核的開發(fā)、應用流程對交付項進行細分歸類,。例如,，在GJB7715中，硬IP核的數(shù)據(jù)交付項分為功能驗證交付項,、時序分析交付項,、物理設計交付項、物理驗證交付項,、硅驗證交付項,、系統(tǒng)應用交付項等。以物理設計交付項為例,，其要求如表2所示,。

　　數(shù)據(jù)交付項與文檔交付項的區(qū)別在于兩者的目的和作用不同。文檔交付項的目的是說明和指導,，從文字形態(tài)上對IP核的功能,、驗證、應用等信息進行詳細的描述,，用于指導IP核的集成應用,。數(shù)據(jù)交付項的作用是證明與應用，通過一些過程文件或者結(jié)果報告，證明IP核的具體實現(xiàn)和實際性能,，而邏輯設計或者數(shù)據(jù)模型可以應用于IP核的集成流程中,。

　　軍用IP核的交付項要求可以參照和借鑒VSIA和中國集成電路IP核標準化工作組發(fā)布的標準，在合理引用的基礎上進行適當修改,，廣泛征求IP核研制單位和用戶單位的意見,，使之形式上符合國家軍用標準編寫規(guī)定，內(nèi)容上體現(xiàn)軍用IP核自主可控的特殊要求,。

2.2 質(zhì)量評測

　　軍用IP核質(zhì)量評測對于保證IP核開發(fā)質(zhì)量具有重要意義,。GJB 7715規(guī)定，IP核開發(fā)者在交付IP核之前,，應向評測機構(gòu)提出質(zhì)量評測申請,。為了保證IP核質(zhì)量評測的客觀性、公正性和可靠性,，可以借鑒民用領域的研究成果,，引入第三方質(zhì)量評測機制，構(gòu)建專業(yè)獨立的第三方質(zhì)量評測平臺,。

　　國際上影響較大的IP核質(zhì)量評測方法是VSIA發(fā)布的QIP（Quality IP）度量工具,。QIP由交互式的電子數(shù)據(jù)表組成，從IP核集成評估,、IP核開發(fā)評估,、IP核供應商評估3個方面對IP核打分。2007年,，QIP移交給IEEE DASC（Design Automation Standards Committee）,，后來形成IEEE 1734-2011標準。QIP對于IP核質(zhì)量評測研究具有啟發(fā)意義,，很多相關的研究借鑒了QIP的方法和思路,。但是，QIP存在著一些不足,，例如問題設置過于抽象,，主觀評測所占比重較大，實用性不強[7],。

　　目前國內(nèi)IP核質(zhì)量評測研究主要集中在民用領域,，在評測方法和流程方面取得了一定進展，但是實際應用還存在著局限,。例如,，生成的質(zhì)量評測報告比較粗略，不同IP核之間的質(zhì)量區(qū)分度不明顯,，難以真正反映IP核質(zhì)量的特征和差異,。評測案例不具有普適性,，不能適應規(guī)模化,、規(guī)范化的IP核質(zhì)量評測需求,。

　　在IP核質(zhì)量評測的具體操作流程中，可以采取主客觀結(jié)合的質(zhì)量評測方式,。主觀質(zhì)量評測根據(jù)IP核“是否”具備特征屬性或者符合期望要求,，結(jié)合相應的權重分配，給出評分或等級,?？陀^質(zhì)量評測一般是在EDA工具環(huán)境下驗證IP核數(shù)據(jù)的真實性和有效性，對IP核開發(fā)過程中形成的設計數(shù)據(jù)和支持文件進行確認,。為了在實際條件和集成環(huán)境下考察IP的質(zhì)量,，可以考慮將硅驗證、應用驗證等內(nèi)容納入客觀質(zhì)量評測的范疇[8],。

　　對于不同種類,、不同形態(tài)的IP核，質(zhì)量評測具體的實現(xiàn)方法和操作流程差異較大,，需要不斷積累經(jīng)驗和技術，提高質(zhì)量評測的應用能力和實際效果,，對IP核的質(zhì)量評測結(jié)果進行客觀定性,、準確定量，為IP核用戶評估,、選用IP核提供參考,，同時為IP核開發(fā)者提供反饋意見和改進建議，引導IP核開發(fā)者有意識實現(xiàn)開發(fā)過程中的質(zhì)量控制與保證,。

2.3 測試方法學

　　測試是確定或評估電路功能和性能的重要方式,，對于驗證設計、保證質(zhì)量,、分析失效以及指導應用具有重要意義[9],。

　　傳統(tǒng)的板上系統(tǒng)(System-on-Board)和SoC設計具有很強的功能相似性，但是兩者之間的測試方法非常不同,。對于板上系統(tǒng),，IC提供者對系統(tǒng)中IC元件的設計、制造和測試負責,，而系統(tǒng)集成者一般只需關心IC元件之間的互連,。在SoC設計流程中，交付使用的IP核僅僅是一個模型,，不可能在此階段進行制造測試,。因此,，系統(tǒng)集成者不僅需要負責IP核之間的互連邏輯測試，還要關注IP核自身的獨立測試[10],。

　　IP核獨立測試是IP核流片制造后進行的測試,，用于表征IP核本身的性能。在GJB 7715編制過程中,，征求IP核研制單位和用戶單位意見時,，對于IP核獨立測試與傳統(tǒng)IC芯片測試之間的區(qū)別和聯(lián)系討論較多?；诂F(xiàn)有的技術能力和條件,，IP核的獨立測試一般采用傳統(tǒng)IC芯片的測試方法和流程。然而,，由于IP核的交付形態(tài),、屬性特征以及應用方式均有別于IC芯片，IC芯片測試方法在反映和呈現(xiàn)IP核真實性能方面存在著一定的局限,。例如,，封裝測試時的封裝引腳、寄生參數(shù)以及測試板等,，裸片測試過程中測試儀器的去嵌入,、校準等，這些因素會影響IP核的測試性能,。如何去除這些影響因素,，或者對其進行建模分析，擬合測試結(jié)果與模型參數(shù),，從而得到真實的性能,，目前還沒有很好的解決方案。另外,，IP核的集成環(huán)境與測試環(huán)境之間的差異也影響測試結(jié)果的適用性,。

　　除了IP核自身的獨立測試外，由于IP核嵌入SoC后失去了可觀測性和可控制性,，IP核測試還需要考慮IP核與用戶自定義邏輯或其他IP核的測試連接方法,，即IP核/SoC協(xié)同測試，以實現(xiàn)測試復用和測試資源共享,。IP核/SoC協(xié)同測試中,，與SoC相關的問題，如測試訪問機制,、測試調(diào)度策略等,，由SoC設計者解決。為了支持IP核/SoC協(xié)同測試,，IEEE 1500是一個可行的技術備選方案,，其定義了一種可擴展的通用測試結(jié)構(gòu),，允許IP核的模塊化測試開發(fā)、測試復用以及外圍邏輯測試,。IEEE 1500測試外殼(Wrapper)可以配合IEEE 1450.6芯核測試語言(Core Test Language,，CTL)使用，為測試隔離,、訪問和控制等機制提供基礎,。IEEE 1500現(xiàn)在只適用于數(shù)字IP核，暫不支持模擬IP核測試,。

　　目前國內(nèi)與IP核測試有關的標準主要是IPCG編制的《集成電路IP核測試數(shù)據(jù)交換格式和準則規(guī)范》(SJ/Z 11352-2006),。SJ/Z 11352包括了IP核測試交付項規(guī)范、IP的隔離和DFT指導原則等內(nèi)容,，側(cè)重于IP核測試方法學描述,，不能直接滿足IP核測試的實際需求。SJ/Z 11352面向的是民用領域IP核,，缺乏對測試環(huán)境,、測試約束的詳細規(guī)定，難以適應軍用領域?qū)τ跍y試安全性,、可靠性等方面的要求[4],。

　　在軍用領域中，現(xiàn)在還沒有專門針對IP核測試的標準或者規(guī)范,，只是在軍用IP核基礎標準中對IP核的測試方案,、測試環(huán)境等提出了總體要求，IP核測試信息主要體現(xiàn)在硅驗證交付項中,。例如，GJB 7715要求硬IP核必須進行硅驗證,，強制交付測試手冊,、測試報告等；推薦對軟IP核進行硅驗證,，測試結(jié)果可以作為軟IP核應用成熟度,、質(zhì)量評測的參考信息和證明材料。此外,，軍用IP核宜支持可測試性設計(如掃描測試,、內(nèi)建自測試等)，保證IP核集成后的可測試性,，建議考慮IP核與SoC之間的協(xié)同測試性,。

　　軍用IP核基礎標準沒有明確規(guī)定IP核測試的具體方法和流程，需要制定IP核測試的詳細規(guī)范,，明確不同種類,、功能IP核的測試方法,，用于指導IP核測試。

2.4 可靠性試驗和檢驗

　　可靠性試驗和檢驗是為了確保提交的產(chǎn)品符合規(guī)范要求,。在目前的國軍標體系中,，與集成電路可靠性試驗和檢驗有關的主要標準見表3。

　　軍用集成電路與民用產(chǎn)品的重要區(qū)別在于,，軍用集成電路按照GJB 597A規(guī)定進行質(zhì)量等級劃分,，并根據(jù)相應的質(zhì)量等級要求進行可靠性試驗和檢驗。質(zhì)量等級是軍用集成電路質(zhì)量特性的量化指標,，也是軍用集成電路在生產(chǎn),、試驗及檢驗過程中執(zhí)行不同質(zhì)量控制要求的體現(xiàn)和重要依據(jù)。GJB 597A規(guī)定的有關試驗和檢驗主要包括篩選,、鑒定和質(zhì)量一致性檢驗,。通過100%篩選盡可能地剔除早期失效芯片，篩選合格后的產(chǎn)品需要按照質(zhì)量等級要求抽樣進行鑒定和質(zhì)量一致性檢驗[11],。

　　GJB 597A,、GJB 548B主要針對微電子器件和小規(guī)模集成電路，GJB 2438A面向混合集成電路,、多芯片組件,，這些標準的適用范圍難以涵蓋日新月異的技術發(fā)展要求。IP核在規(guī)模,、種類以及功能等方面已經(jīng)與傳統(tǒng)微電子器件,、IC芯片產(chǎn)生了很大差異，軍用IP核的可靠性技術面臨著挑戰(zhàn)：電性能的不可測性,、環(huán)境與機械試驗的不可模擬性,、傳統(tǒng)試驗方法的不適應性等[12]。

　　IP核進行可靠性試驗和檢驗時,，需要流片制造得到實物樣本,。所有用于檢驗的樣本在適當封裝后，應進行封裝檢查,，剔除由于封裝引起的失效樣本,。所有IP核樣本都應進行篩選，通過計算相應的允許不合格品率（PDA）,，判斷檢驗批的質(zhì)量水平,，決定接收與拒收。IP核樣本完成規(guī)定的篩選要求之后,，應從組合好的檢驗批或檢驗子批中隨機抽取樣本進行后續(xù)的鑒定和質(zhì)量一致性檢驗,。

　　IP核鑒定是對樣品進行的一系列完整的檢驗，根據(jù)不同需要對樣品質(zhì)量進行全面考核,，目的在于確定IP核是否符合規(guī)范要求,。質(zhì)量一致性檢驗是以逐批檢查為基礎,，對IP核主要質(zhì)量指標進行考核，用于確定IP核在生產(chǎn)制造中能否保證質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定[13],。GJB 548B規(guī)定了鑒定和質(zhì)量一致性檢驗程序,，以保證器件和批的質(zhì)量符合有關訂購文件的要求。A,、B,、C、D和E組試驗和檢驗的全部要求,，用于器件的初始鑒定,、產(chǎn)品和工藝發(fā)生變化時的重新鑒定以及保持合格資格的周期試驗。在GJB 548B基礎上,，可根據(jù)實際情況適當選擇使用各組試驗,，保留與IP核設計相關的試驗（如電測試、穩(wěn)態(tài)壽命）,，刪去環(huán)境試驗和機械試驗中不適用的內(nèi)容,。需要注意的是，在軍用IP核基礎標準和產(chǎn)品規(guī)范中,，規(guī)定的試驗是必要但不充分的,，不排除應用于特殊環(huán)境下的IP核所要求的或為使檢驗結(jié)果更好而進行的附加檢驗。

　　目前國內(nèi)軍用IP核還沒有專門的可靠性試驗和檢驗標準,，可以參考借鑒國軍標體系要求,，結(jié)合IP核產(chǎn)品的小批量和需求不連續(xù)等特點，提取適用于IP核的方法和程序,，制定相應的詳細規(guī)范,，完善軍用IP核標準體系。

3 結(jié)論

　　針對軍用IP核標準體系現(xiàn)狀,，本文分析了軍用IP核標準面臨的問題以及構(gòu)建軍用IP核標準體系的必要性,，根據(jù)軍用IP核的開發(fā)過程和應用需求，從交付項要求,、質(zhì)量評測、測試方法學,、可靠性試驗和檢驗等方面研究和探討了軍用IP核的關鍵共性技術與標準規(guī)范,，為制定和完善IP核標準體系提供參考建議和技術指導，從而為我國軍用IP核產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供標準支撐,。

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